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I ricercatori di Stanford verificano la prima versione del biohybrid di sinapsi artificiale

Nel 2017, i ricercatori di Stanford University hanno presentato una nuova unità che imita l'apprendimento neurale efficiente ed a bassa energia del cervello. Era una versione artificiale di una sinapsi - lo spazio attraverso cui i neurotrasmettitori viaggiano per comunicare fra i neuroni - fatta dai materiali organici. Nel 2019, i ricercatori hanno montato insieme nove delle loro sinapsi artificiali in una schiera, indicando che potrebbero essere programmati simultaneamente imitare l'operazione parallela del cervello.

Ora, in un 15 giugno pubblicato documento in materiali della natura, hanno verificato la prima versione del biohybrid della loro sinapsi artificiale ed hanno dimostrato che può comunicare con le celle viventi. Le tecnologie future che provengono da questa unità hanno potuto funzionare rispondendo direttamente ai segnali chimici dal cervello. La ricerca è stata condotta in collaborazione con i ricercatori a Istituto Italiano di Tecnologia (istituto di tecnologia italiano - IIT) in Italia ed all'università tecnologica di Eindhoven (Paesi Bassi).

Questo documento realmente evidenzia la resistenza unica dei materiali che utilizziamo nel potere interagire con la materia vivente. Le celle sono seduta felice sul polimero molle. Ma la compatibilità va più profonda: Questi materiali funzionano naturalmente con lo stesso uso dei neuroni delle molecole.„

Alberto Salleo, professore di scienza dei materiali e di assistenza tecnica a Stanford ed autore co-senior del documento

Mentre altre unità cervello-integrate richiedono un segnale elettrico individuare ed elaborare i messaggi del cervello, le comunicazioni fra questi unità e celle viventi si presentano con l'elettrochimica - come se il materiale sia stato appena un altro neurone che riceve i messaggi dal suo vicino.

Come i neuroni imparano

La sinapsi artificiale del biohybrid consiste di due elettrodi molli del polimero, separati da una fossa riempita di soluzione dell'elettrolito - che fa la parte dello spacco sinaptico che separa i neuroni di comunicazione nel cervello. Quando le celle viventi sono collocate sopra un elettrodo, neurotrasmettitori che versione di quelle cellule può reagire con quell'elettrodo agli ioni dei prodotti. Quegli ioni viaggiano attraverso la fossa al secondo elettrodo e modulano lo stato conduttivo di questo elettrodo. Alcuno di quel cambiamento è conservato, simulante l'apprendimento che accade in natura.

“In una sinapsi biologica, essenzialmente tutto è gestito dalle interazioni chimiche alla giunzione sinaptica. Ogni volta che le celle comunicano tra loro, stanno usando la chimica,„ ha detto Scott Keene, un dottorando a Stanford ed autore del co-cavo del documento. “Potere interagire con la chimica naturale del cervello dà l'utilità aggiunta unità.„

Questo trattamento imita lo stesso genere di apprendimento veduto nelle sinapsi biologiche, che è altamente efficiente in termini di energia perché lo stoccaggio di memoria e di computazione accade in un atto. Nei sistemi informatici più tradizionali, i dati sono elaborati in primo luogo e poi più successivamente sono mossi verso stoccaggio.

Per collaudare la loro unità, i ricercatori hanno usato le celle neuroendocrine del ratto che rilasciano la dopamina del neurotrasmettitore. Prima che eseguano il loro esperimento, erano incerti come la dopamina avrebbe interagito con il loro materiale - ma hanno veduto un cambiamento permanente nello stato della loro unità sopra la prima reazione.

“Abbiamo saputo che la reazione è irreversibile, in modo da ha significato che avrebbe causato un cambiamento permanente nello stato conduttivo dell'unità,„ ha detto Keene. “Ma, era duro sapere se avremmo raggiunto il risultato che abbiamo predetto su documento finché non lo vedessimo accadere in laboratorio. Quello era quando abbiamo realizzato che il potenziale questo ha per l'emulazione dell'apprendimento a lungo termine di una sinapsi.„

Un primo punto

Questa progettazione del biohybrid è in tali fasi iniziali che il fuoco principale della ricerca corrente era semplicemente di farlo funzionare.

“È una dimostrazione che questa comunicazione che mescola la chimica e l'elettricità è possibile,„ ha detto Salleo. “Potreste dire che è un primo punto verso un'interfaccia del cervello-commputer, ma è primissimo un punto minuscolo e minuscolo.„

Ora che i ricercatori hanno verificato con successo la loro progettazione, stanno capendo i migliori percorsi per la ricerca futura, in grado di comprendere il lavoro dai sui computer ispirati da cervello, interfacce del cervello-commputer, apparecchi medici o la nuova ricerca foggia per la neuroscienza. Già, stanno lavorando a come fare l'unità funzionare meglio nelle impostazioni biologiche più complesse che contengono i generi differenti di celle e di neurotrasmettitori.

Source:
Journal reference:

Keene, S.T., et al. (2020) A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity. Nature Materials. doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y.